Fizyka 1/F1 Paweł Machnikowski Katedra Fizyki Teoretycznej WPPT Pawel.Machnikowski@pwr.edu.pl www.if.pwr.wroc.pl/~machnik Dydaktyka Fizyka 1 1
Jak się skutecznie (na)uczyć fizyki Wykład notatki Ćwiczenia Konsultacje Praca własna 12 godzin tygodniowo! 2
Jak się skutecznie (na)uczyć fizyki Wykład notatki Ćwiczenia Konsultacje Dyskusje i praca w grupie Praca własna (albo w grupie) przegląd i uzupełnienie notatek (praca z podręcznikiem) uzupełnienie wiedzy matematycznej lektura obowiązkowa i uzupełniająca przygotowanie ćwiczeń rozwiązywanie zadań przegląd treści kolejnego wykładu? 3
Źródła i zasoby Notatki z wykładu Podręczniki Internet: Google, Wikipedia, Internetowe zasoby fizyczne (applety, artykuły, materiały do wykładów,...) 4
Nauka Porządkowanie rzeczywistości Modele (uproszczone) Zasady fundamentalne celowość (Arystoteles: przyczyna celowa) związki przyczynowe (Arystoteles: przyczyna sprawcza) Powtarzalność i podobieństwo zjawisk; wiara w sensowność przyrody intuicyjna fizyka 5
Nauka Formalne, falsyfikowalne modele, poddane próbie doświadczenia wiedza oparta na faktach Formalność: Zdefiniowane pojęcia Określone reguły wnioskowania matematyka! Model = struktura matematyczna + interpretacja Uproszczona reprezentacja (idealizacja) zjawiska Utworzony ze względu na określony cel Umożliwia formalną (matematyczną) analizę Abstrakcja: konkret (jednostkowe zjawisko) abstrakt (pojęcie, niepoznawalny zmysłowo) 6
Metoda naukowa Empiryzm (Francis Bacon, 1561 1626) Eksperymenty na granicy wiedzy i niewiedzy; gromadzenie rzetelnych danych abstrakcja (Wikipedia) Hipoteza: zdanie ogólne uwzględniające jednostkowe obserwacje i określające związki przyczynowe między nimi gromadzenie faktów obserwacyjnych Teoria: logicznie spójny system praw i zasad, wyjaśniający pewną klasę obserwacji w języku formalnego modelu Żadna liczba obserwacji szczegółowych nie dowodzi twierdzenia ogólnego (David Hume, 1711-1776) Nie da się empirycznie dowieść bezwzględnej regularności zjawisk, bo nie można obserwować zjawisk przyszłych 7
Współczesna metoda naukowa początki Isaac Newton (1642-1727): Rezygnacja z poszukiwania przyczyn transcendentnych Model matematyczny zjawisk fizycznych: równania różniczkowe formalna przyczynowość Ilościowa analiza zjawisk metodami matematyki Przyroda jest matematyczna i zrozumiała a mogłaby być matematycznie transcendentna, zbyt skomplikowana być może nawet amatematyczna/irracjonalna 8
Matematyczność przyrody matematyka przyroda obserwacje model (dane wejściowe) zjawisko rozumowanie matematyczne wnioski przewidywanie (dane wyjściowe) inne (nowe) zjawisko nowa informacja niezawarta w danych obserwacyjnych przewidywane zjawisko faktycznie zachodzi Równania są mądrzejsze niż ci, którzy je napisali (Heinrich Hertz) 9
Współczesna metoda naukowa Formalne uprawomocnienie twierdzeń naukowych: falsyfikowalność (Karl Popper, 1902-1994) Teoria naukowa powinna jasno i precyzyjnie definiować możliwości jej odrzucenia Teoria jest stopniowo uwiarygodniana przez testy doświadczalne; nie można jej w ścisłym sensie dowieść Nowe obserwacje (zwykle) jedynie zawężają zakres stosowalności teorii Wiedza naukowa jest zawsze przybliżona i prowizoryczna 10
Jak powstają teorie naukowe? Rewolucje naukowe (Thomas S. Kuhn, 1922-1996) Powstawanie teorii fakty obserwacyjne, formalizm matematyczny, wyobraźnia, moda, czynniki społeczne Kryteria akceptacji teorii: prostota, jedność, ciągłość, zakres wyjaśnianych i przewidywanych zjawisk, czynnik ludzki (anarchizm metodologiczny Paul Feyerabend, 1924-1994) Teorie nie powstają i nie są uprawomocniane indukcyjnie (empirycznie) 11
Fizyka Fundamentalne prawa przyrody; wiara w ich ostateczną prostotę i jedność Unifikacje: nauka o cieple + mechanika mechanika statystyczna (A. Avogadro, J. C. Maxwell, XVII-XIX w.) elektryczność + magnetyzm teoria pola elektromagnetycznego (J. C. Maxwell, XIX w.) oddziaływania elektromagnetyczne i słabe teoria oddziaływań elektrosłabych (S. Weinberg, Abdus Salam, 1967) 12
Ogólny obraz przyrody Atomy, cząstki elementarne, kwarki,... + oddziaływania Polowy obraz oddziaływań; realność pól; nośniki oddziaływań; przyczynowość Rola symetrii i niezmienniczości; geometryzacja Kwantowa natura świata w małej skali: zasada nieoznaczoności, indeterminizm, splątanie (korelacje kwantowe), związek z informacją Wszechświat w wielkiej skali: oddziaływania grawitacyjne: układy planetarne, gromady, galaktyki, gromady galaktyk; związek rozkładu masy z geometrią przestrzeni; osobliwości: granica współczesnej wiedzy 13
Fizyka założenia Obojętność w stosunku do istnienia realnego świata (badane są modele oparte na wrażeniach zmysłowych; nie ma w rtamach nauk przyrodniczych przejścia do rzeczy samej w sobie) Matematyczność (zrozumiałość przyrody) Idealizowalność przyrody: uproszczone modele przybliżają rzeczywiste zjawiska ( obserwacyjna stabilność ) Elementarność przyrody: istnieje poziom pierwotny (formalizm matematyczny) Jedność przyrody: jedność metody; unifikacje w fizyce 14
Fizyka program kursu Mechanika kinematyka i dynamika nierelatywistyczna sprężystość, fale Sem. 1 elementy szczególnej teorii względności elementy hydrodynamiki Teoria kinetyczna i termodynamika Elektrodynamika Oddziaływania cząstek naładowanych, pola, fale elektromagnetyczne Sem. 2 Elementy fizyki współczesnej Teoria kwantów, fizyka atomowa i jądrowa, cząstki elementarne, ogólna teoria względności, astrofizyka, kosmologia Sem. 3 15
Wielkości fizyczne Pomiary wyniki liczbowe wielkości fizyczne Określenie wielkości porównanie z wzorcem jednostki miar; układ SI Jednostki podstawowe definicja operacyjna lub wzorzec czas sekunda (s) 9 192 631 770 okresów oscylacji mikrofal emitowanych przejściu między dwoma poziomami F = 3 i F = 4 struktury nadsubtelnej stanu podstawowego 2S1/2 atomu cezu długość metr (m): droga przebywana przez światło w czasie 1/299792458 s masa kilogram (kg): wzorzec Jednostki pochodne równanie definiujące np. energia dżul (J): 1 J = 1 kg m2/s2 Przedrostki Wymiar wielkości fizycznej: T, L, M,... 16
Wielkości fizyczne Zgodność wymiarów i jednostek w równaniach Zamiana jednostek Niepewność pomiaru i cyfry znaczące; postać wykładnicza liczb i notacja naukowa Rząd wielkości i oszacowania Wielkości wektorowe 17